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出品:科普中国造做:川陀太空监造:中国科学院计算机收集信息中心

昂首看浩瀚宇宙时卫星地图无人曲播软件,你能否曾猎奇卫星地图无人曲播软件,在太空中施行使命的航天员和飞翔器若何与空中联络?遥远的间隔会不会给数据传输形成困难?

传统深空通信:要想信号好,天线不克不及短

在介绍深空通信前,我们得先领会一下深空通信所利用的“无线射频发射系统”。所谓的射频发射系统,指的是能停止射频通信的安装,用于空间通信的无线电频谱次要集中在30MHz至30GHz。那部门频谱笼盖了部门微波通信和短波通信,次要用于卫星信号、电视信号传输等。

施行深空使命的航天器一般利用2.02至2.30 GHz的频段停止通信。有了无线射频发射系统,深空探测器才气与地球停止联络,包罗传输数据等。

那种通信体例的问题很明显:数据领受速度慢。以“新视野号”冥王星探测器为例,从间隔地球73亿公里别传回数据,下行速度只要每秒1-4KB,数据全数传输完毕大约需要20个月的时间。

领会了“无线射频发射系统”,我们再回到深空通信自己。从原理上讲,深空通信有两个核心要素:发射器和领受器。

发射器将颠末调造的信息编码到电磁波上,改动波的特征,“嵌入”相关数据。电磁波穿过空间抵达领受器,领受器将电磁波停止解调息争码,从而获得发送者的信息。

利用无线射频发射系统,为了进步信噪比,需要利用更大口径的天线。但是进步信噪比的同时,也意味着要压缩带宽,每秒传输速度就会遭到限造。

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安拆在国际空间站上的ILLUMA-T激光解调安装 (图片来源:NASA)

我们不成能一味地扩大天线口径,美国宇航局深空网利用了70米的天线,重量已经到达7000多吨,伺服机构也十分庞大。因而,要增大带宽,使其每秒能够承载更多的数据,就需要改动通信体例。

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位于澳大利亚堪培拉的堪培拉深空通信中心射电天线,改动通信体例才气承载更多的数据 (图片来源:NASA)

想看4K高清登月视频?激光通信来帮你

近日,美国宇航局启动了一项从太空到空中停止数据通信的革命性体例——激光通信中继演示项目(简称LCRD)。2021年12月7日,该项目进入工程验证阶段。

尝试在3.5万公里的地球同步轨道停止。详细施行计划为:将STPSat-6探测器送入轨道,利用空对地激光毗连夏威夷和加州两处空中站,操纵国际空间站上的光学末端领受和传输数据,验证颠末改进的激光通信手艺。

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LCRD演示项目标光学模块,用来发射红外激光 (图片来源:NASA)

若是高轨激光通信可以胜利,那么在低于同步轨道的位置上也能停止激光通信。

LCRD演示项目是NASA第一颗双向光通信中继卫星,其前身是2013年启动的月球激光通信演示(LLD),后者验证了空间激光传输的可行性,而前者则将空间激光的传输速度从数亿比特提拔到10亿比特,在带宽长进行了提拔。

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2013年启动的月球激光通信演示项目,验证了地月激光通信的可行性 (图片来源:NASA)

美国宇航局此次停止的激光通信中继演示能够说是翻开了将来空间通信的大门,意味着深空通信手艺将发作大幅度的变革。

举个例子,阿波罗登月期间,登月飞船利用射频系统将登月形态停止了实时传输,空中只能领受到颗粒状的黑白视频。若是利用激光传输,那么可从月球轨道上传回4K高清的登月视频。从传输速度上看,通过不成见的红外激光器发送和领受数据,其数据传输速度是传统航天器射频通信系统的10到100倍。

2013年停止的月球激光通信演示已经证明,我们可以以每秒数亿比特的速度从月球向地球传输数据,相当于同时传输100多个高清电视频道。

此次停止的激光通信中继演示项目标目标是实现每秒1.2吉比特(gigabit)的速度,以那种速度传输,我们能够在一分钟内从同步轨道上传回一部片子。

与射频系统比拟,激光通信系统更小、更轻,且功耗更低,那些优势与更高带宽相连系的话,就能够在极大水平上帮忙无人探测器和宇航员配合对太阳系内各个天体停止摸索。

登月曲播有盼头,但还任重而道远

激光通信最现实的意义就是,我们有时机能看到重返月球的过程。月球间隔我们大约38万公里,关于每秒接近30万公里的光速而言,能够说察觉不到明显的延迟。如许一来,登月的实况转播将变得愈加明晰,相当于看一场高清曲播。

当然,空间激光通信也出缺点。与传统的航天器射频通信所差别的是,光信号无法穿透云层。那意味着,若是要停止天基激光对地通信,就需要成立多个中继站,制止因为气候原因招致通信中断。美国宇航局选择加州平顶山和夏威夷阿卡拉两个空中站,就是看中了那里云层少的特点。

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位于夏威夷的激光通信空中领受安装 (图片来源:NASA)

并且,激光通信的开展才在初级阶段,射频通信不消担忧会被代替。激光通信能够弥补无线电通信的不敷,让深空使命的通信才能变得愈加强大。严酷意义上说,深空通信要超越200万公里,美国宇航局在同步轨道、月球轨道长进行的测试,也仅仅是激光通信的初级阶段,只要在地月系统内成立完美的毗连机造,才气推广到其卫星地图无人曲播软件他深空使命中。

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NASA激光通信演示卫星 (图片来源:NASA)

在耽误通信间隔的时候,延迟的问题难以制止。好比,把宇航员送到火星上登岸,火星间隔地球比来的时候信号延迟是4分钟摆布,间隔地球最远的时候延迟大约24分钟。显然,我们得起首确保激光通信在传输上的不变性,才气应对延迟所带来的其卫星地图无人曲播软件他影响。

激光通信前景大好,实时操控不是梦

在后期应用方面,激光通信还能拓展到对小行星、太阳系等更远天体的摸索使命中。除了根本的传输数据外,还能将3D高清视频信号传输到地球,如许空中上的科学家就能对遥远天体上的登岸安装停止实时操控,从素质上实现长途监视和控造。那种应用场景合适对地外天体外表停止无人着陆器勘察,以至能够操纵射频与激光连系的体例,对火星地下溶洞停止实时勘探。

跟着天体一体化信息收集趋向的临近,传统的微波通信体例遭到带宽、速度的限造,越来越难满足当下的多媒体营业需求,激光通信也正在成为代替微波通信的更优计划之一。尤其是在大型空天项目,好比航空运输、航天发射等严重应用方面,激光通信手艺还能构建高动态卫星激光组网,扩大天基信息营业的范畴。

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激光通信手艺还能构建高动态卫星激光组网,扩大天基信息营业的范畴 (图片来源:NASA)

值得一提的是,中国的斗极卫星和空中站之间也利用激光信号传输,相关的高速通信尝试已经完成,速度比5G收集还要快。

在不久的未来,我国将拥有世界上首个笼盖全球的激光通信收集,卫星互联网的大规模应用也即将到来。近日,关于新一代重型火箭正在研发的动静也被央视等媒体披露,那意味着我国有可能在不久的未来实现载人登月。跟着激光通信手艺的不竭成熟,相信届时也会应用到载人登月范畴,实现对中国登月的实时曲播。

参考文献:

[1]激光通信中继演示项目主页:

https://www.nasa.gov/mission_pages/tdm/lcrd/index.html

[2] NASA’S NEXT STEP IN OPTICAL COMMUNICATIONS(美国宇航局在光学通信方面规划)

https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/lcrd_fact_sheet.pdf

[3]郑运强,刘欢,孟佳成,王宇飞,聂文超,武军霞,蔚停停,魏森涛,袁站朝,汪伟,谢小平.空基激光通信研究停顿和趋向以及关键手艺[J/OL].红外与激光工程:1-15[2021-12-17].

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